机器人作业方法实施方案

机器人作业方法实施方案强辐射环境下机器人作业方法研究与实现项目实施方案目录TOC\o"1-3"\h\u128491项目概况 325451.1项目研究目的 3188191.2项目研究内容 3309872项目计划 560582.1项目经费预算 531572.2项目人员及任务分配 6297442.3时间节点安排 712143技术实现方案 8280673.1机器人虚拟仿真演练系统 9190613.2三维建模 10307043.2.1场景建模 10175003.2.2机器人建模 11159823.3强辐射环境辐照剂量计算 11226363.4规划作业 11161943.5系统开发流程 12174033.6实物沙盘作业训练平台 12171733.6.1定制模型机器人 13131003.6.2定制沙盘 1469504可行性分析 14310164.1依托科研平台 1485124.2成熟的技术开发平台 1458354.3组织管理 1541325项目完成指标 151项目概况1.1项目研究目的当前，核工业、核与辐射应用技术行业快速发展，核能的开发利用给社会带了巨大的经济价值，与此同时，核辐射泄露处置以及强辐射环境下多工种作业日益成为国内外研究的重要课题，就核设施的退役和民用辐照室卡源事故而言，现场工况会涉及到强辐射大剂量操作，由于系统结构复杂、放射性物质分布不均、辐射剂量率高和现场情况恶劣，工作人员往往难以进入，一旦事故无法妥善处理，势必在国内外造成巨大的不良影响。对于此种特殊环境下的工程作业，国内外学者展开了大量的研究，并取得了显著成果，目前的一种趋势是将遥操作抗核加固机器人系统引入到此种工况中，以完成相应的作业处置。但是在强辐环境中实现高效、可靠的遥操作机器人作业是非常困难的。本课题结合核工程与核应急工作典型需求，研究提升机器人系统时效性、可靠性的技术方法和决策指挥与现场操作联合演练系统。1.2项目研究内容据特殊环境下遥操作机器人现场作业的可靠性、安全性要求，在对现场环境信息进行充分的感知、采集、整合基础上，必须针对专门的作业任务进行前期的任务规划、作业模拟演练，从而制定高效可靠的作业方案。第三小组实物沙盘开发设计靳占勇穆俊杰，刘晖苏美文1.针对核辐射环境下机器人作业方法进行调研2.搜集国内外有关沙盘作业演练的资料3.结合子课题研究内容进行针对性研究4.制定机器人作业沙盘演练的具体方案，包括技术实现，经费预算，后期调试训练等。2.3时间节点安排课题研究时间节点安排2013.9-2013.11各小组进行分别针对各组研究内容进行前期调研，查找国内外文献，搜集国内外关于强辐射环境下机器人作业方法的资料并汇总做报告2013.11-2014.01模型机器人小组定制机器人机器人虚拟仿真系统小组公司调研实物沙盘小组公司调研2014.01-2014.03模型机器人小组对机器人改造升级机器人虚拟仿真系统小组进行系统方案设计2014.03-2014.06机器人虚拟仿真系统小组对课题中的理论部分进行研究，包括核环境下放射性元素衰变的基本规律、常见的衰变种类、辐照剂量分布理论计算、辐射与物质的相互作用等，搜集典型核环境资料，遥操作机器人模型数据等，为下一步建模工作做准备实物沙盘小组确定沙盘等重要参数尺寸。2014.06-2014.10模型机器人小组模型机器人改造调试。机器人虚拟仿真系统小组完成场景建模和机器人建模。实物沙盘小组赴公司进行定制。2014.10-2015.03模型机器人小组重在对系统进行分模块技术实现，研究模块实现过程中的各种算法，包括碰撞检测算法、路径优化算法、其他数据处理算法。实物沙盘小组验收实物沙盘。2015.03-2015.05项目组财务验收。2015.05-2015.07团队各小组进行集成调试，查缺补漏，为技术验收做准备。2015.07-2015.12项目技术验收。3技术实现方案3.1机器人虚拟仿真演练系统利用新兴的计算机虚拟现实技术开发了一套面向实际工程应用的交互式核应急事故实训平台，采用MAYA软件完成核机器人和辐照室的逼真化建模，使用unity3D引擎实现了系统各部件的物理属性设置、场景的3D融合、UI设计、整个系统的交互式控制、机器人作业以及数据分析处理。机器人虚拟仿真演练系统框架设计系统设计的总体构架以核辐照应急事故任务驱动为导向，遵循层次化，模块化设计方法。通过建立可复用的任务资源库，完成核应急事故处置基本设置，核心为人机交互控制的作业实现，最后完成演练任务的结果分析和优化。1)任务资源库：整合典型的核辐射场景模型以及多功能遥操作核机器人数据资料，优化某些参数的复杂度，建立满足实际任务需要、高度逼真的工程模型。2)人机交互控制层：包括人机交互控制，实时计算辐照场景剂量分布，辐照数据采集、存储以及阈值判断，动态规划路径，主动式避障判断等功能模块，实现用户行为与系统行为的交互通信，完成核辐射环境下突发作业的应急处置。3)结果分析模块：采用图表形式显示机器人本体作业演练过程中所受累计剂量和瞬时剂量率，核机器人作业路径轨迹等关键参数，遵循“任务剂量最小”和“作业高效与安全可靠”原则，进行数据分析，方案评估和优化。3.2三维建模利用MAYA三维建模软件分别对辐照室和核机器人进行分模块实体建模。辐照室内可实现障碍物的灵活摆放，放射源大小、位置根据需要自行设定。对机器的行走机构和机械臂结构进行动画制作，三工具头（锯、剪、夹）快速切换，同时采用国外目前比较前沿的程序过程纹理技术，在程序运行过程中自动生成材质纹理，以提升系统的沉浸感。

3.2.1场景建模辐照室反应堆辐照室有两个通道，过道宽45cm，可以设置障碍物体，顶端为移动架，内部为源库，可以根据实验室已有条件，安放不同的源，内部货架可以进行长、宽、高的具体设置。反应堆场景比较简单，机器人主要在池外过道进行作业。3.2.2机器人建模核机器人本体选择西南科技大学自主研发的强辐射环境下多功能遥操作机器人作为建模对象，包括底盘履带爬行机构、三自由度机械臂、末端多功能工具头、抗辐照加固数据采集器等。3.3强辐射环境辐照剂量计算在构建三维核辐射环境时，需要真实地模拟场景中放射源的种类、活度大小、方位等关键参数，本系统开发中利用公式建模，结合前期辐照事故处置经验，研究重点主要针对γ射线照射，通过屏蔽材料的半值层厚度间接快速计算作业环境中各个点的辐照剂量。3.4规划作业1）辐照室

设置突发事件，比如卡源事故，由于货架倒塌、源的升降装置出现故障，导致放射源不能安全归位，通过上位机人员遥操作控制机器人，切割、抓取、挪移、搬动障碍物，完成障碍物清理，放射源的归位。2）反应堆此场景中设置的任务主要针对废弃的反应堆退役，具体设定的演练任务为，通过切割、抓取、挪移、搬动障碍物，清理出一条到达指定地点的通道，针对目标任务，通过动画演示，上位机操作控制，完成部分水管的切割、废物的收集以及废物的搬运等。另外针对大的目标物，先进行大任务分解，之后小任务作业，最后完成收集回收。3.5系统开发流程图4系统开发流程3.6实物沙盘作业训练平台实物沙盘作业训练平台设计操作员通过手柄或上位机控制模型机器人，进入实物沙盘进行作业模拟演练，并通过记录机器人在作业过程中受到的辐照记录值，进行作业效率评估和方案优化。3.6.1定制模型机器人模型机器人可以实现切割、抓取、挪移、搬动障碍物功能，可实现多视角操作。课题组成员添加辐照剂量记录模块，采用无线传输方式进行操作员与机器人本体的通信。机器人尺寸模型机器人长35cm，宽24cm，臂长活动范围为180°，可以实现夹取操作，摄像头高22cm，可实现360°选择。3.6.2定制沙盘沙盘设计图纸中包括辐照室和反应堆两个场景，具体设计尺寸如上图所示。4可行性分析4.1依托科研平台国防重点学科实验室核科学领域师资力量雄厚团队董事单位中国工程物理研究院从事300#反应堆退役和民用辐照室研究。4.2成熟的技术开发平台现阶段虚拟现实技术较为成熟，以广泛应用于航空、航天领域、工业制造、地理信息（GIS）、军事等领域。团队已建立虚拟现实技术unity3d开发平台，同时与成都曼恒数字技术有限公司开展校企联合开发合作。可实现虚拟现实系统的软硬件开发。4.3组织管理团队建立完备的项目组织管理制度，保证项目高效，保质保量按时完成。1）特殊环境机器人技术实验室矩阵